Calentamiento:mejora del modelo de flujo de calor

Fig. 1:Estructura del flujo de calor bidimensional en una interfaz sólido-líquido donde el gradiente de temperatura está en la dirección z, bajo (a,b) malas o (c,d) buenas condiciones de humectabilidad. Las condiciones de la simulación son diferentes de los resultados en el documento. Crédito:Kunio Fujiwara y Masahiko Shibahara

Científicos de la Universidad de Osaka han simulado el transporte de calor en las escalas más pequeñas utilizando una simulación por computadora de dinámica molecular. Al estudiar los movimientos de las partículas individuales que forman el límite entre un sólido y un líquido, han podido calcular el flujo de calor con una precisión sin precedentes. Este trabajo puede conducir a mejoras significativas en nuestra capacidad para fabricar dispositivos a nanoescala, así como superficies funcionales y dispositivos nanofluídicos.

El proceso por el cual se transfiere calor en el punto donde un sólido se encuentra con un líquido puede parecer un simple problema de física. Tradicionalmente, las cantidades macroscópicas, como la densidad, la presión, la temperatura y la capacidad calorífica, se usaban para calcular la velocidad a la que la energía térmica se mueve entre los materiales. Sin embargo, tener en cuenta adecuadamente el movimiento de las moléculas individuales, mientras se observan las leyes de conservación de la energía y el momento, agrega una gran complejidad. Las simulaciones por computadora mejoradas a escala atómica serían invaluables para comprender con mayor precisión una amplia gama de aplicaciones del mundo real, especialmente en el campo de la nanotecnología.

Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Osaka ha desarrollado por primera vez una nueva técnica numérica para visualizar un flujo de calor modelado a escala atómica. "Para comprender fundamentalmente el transporte térmico a través de una interfaz sólido-líquido, se deben considerar las propiedades de transporte de los átomos y las moléculas", explica el primer autor del estudio, Kunio Fujiwara. "Modelamos el flujo de calor cerca de una región de interfaz sólido-líquido con resolución espacial subatómica mediante el uso de simulaciones de dinámica molecular clásica. Esto nos permitió crear imágenes de la estructura tridimensional del flujo de energía mientras el calor se transfería entre las capas. ."

Fig. 2:Estructura del flujo de calor tridimensional en una interfaz sólido-líquido en ubicaciones z especificadas en (a,b) malas o (c,d) buenas condiciones de humectabilidad. Las condiciones de simulación son diferentes de los resultados en el artículo. Crédito:Kunio Fujiwara y Masahiko Shibahara

Usando el popular potencial de Lennard-Jones para calcular las interacciones entre átomos adyacentes, el equipo descubrió que la dirección del flujo de calor depende en gran medida de las tensiones subatómicas en las estructuras de los sólidos o líquidos.

"Antes, no había una buena manera de visualizar el flujo de calor a escala atómica", dice el autor principal Masahiko Shibahara. "Estos hallazgos deberían permitirnos dilucidar y modificar el transporte térmico en función de la configuración del flujo de calor 3D".

Esto puede permitir que la fabricación personalizada a nanoescala se lleve a cabo de manera más eficiente. + Explora más